高效細菌基因組測序新方法 有助于加強全球研究合作以應對未來的流行病
發布時間：
2021-12-24
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一個世界范圍的科學家聯盟開發了一種高效、廉價的大規模細菌基因組測序方法，這可能使低收入和中等收入國家的研究人員擁有廉價和可獲得的方法來對主要的細菌病原體集合進行測序。這組科學家建議，新報告的方法可以應用于大量細菌病原體的收集，并有助于加強全球研究合作，以應對未來的流行病。
由厄勒姆研究所和利物浦大學領導的一個全球科學家聯盟，已經開發出一種高效的，大規模細菌基因組測序的廉價方法，可以使低收入和中等收入國家(LMICs)的研究人員擁有對大量細菌病原體進行測序的廉價和可獲得的方法——每個基因組的成本不到10美元。
這組科學家認為，在全球冠狀病毒基因組監測受到關注的時候，各國通過低成本和快速全基因組測序(WGS)作出貢獻的能力變得越來越重要。新報告的方法可以應用于大量細菌病原體的收集，并有助于加強全球研究合作，以應對未來的大流行。
“自第一個細菌基因組測序以來，已經有26年了，現在可以大規模地對細菌分離株進行測序了，”厄爾漢姆研究所所長尼爾·霍爾博士說。“然而，低收入和中等收入國家的科學家獲得這種改變游戲規則的技術仍然受到限制。病原體基因組分析領域‘民主化’的需要促使我們開發了一種新的策略，與許多面臨經濟挑戰的國家的合作者一起對數千種細菌分離株進行測序。”
該團隊在《Genome Biology》雜志上發表了一篇題為《An accessible, efficient and global approach for the large-scale sequencing of bacterial genomes》的論文。
作者說，在過去的十年中，WGS徹底改變了我們對微生物疾病的認識。WGS數據可用于監測、功能基因組學和探索病原體進化，促使公共衛生和研究科學家采用基于基因組的方法。“認識到WGS數據為監測、功能基因組學和人口動態提供的巨大優勢，公共衛生界和研究界都采用了基于基因組的方法，”該團隊說。
這組作者繼續說，對人類基因組測序的需求已經將測序試劑的成本降低到每個樣本1000美元以下。然而，盡管近年來對關鍵病原體的基因組序列收集的需求大幅增長，但對數千種微生物的基因組序列測序仍然很昂貴——“……主要是因為與樣本運輸和文庫建設相關的成本，”科學家們評論說。直到最近，大規模的細菌基因組項目還只能在世界各地的少數幾個測序中心進行。研究人員的目標是讓全世界的實驗室都能使用這種技術。
這項大規模的基因組測序計劃由全球10,000個沙門氏菌基因組研究聯盟(10KSG)牽頭，重點研究腸道沙門氏菌，這是一種具有全球意義的病原體，可導致感染和致命疾病。10KSG聯盟的合作者來自16個國家的25個機構和研究和參考實驗室。Hall說:“有限的資金資源使我們設計了一種基因組方法，確保準確的樣本跟蹤和捕獲單個細菌分離物的全面元數據，同時將該聯盟的成本保持在最低水平。該管道簡化了從中低收入國家大規模收集和測序樣本的工作。”正如作者繼續說的那樣，“一個關鍵的驅動因素是組裝一套盡可能信息豐富和可靠的基因組數據。”
作者指出，非傷寒沙門氏菌(NTS)已廣泛與人類的小腸結腸炎有關，這是一種與食品生產工業化有關的人畜共患病。由于人類小腸結腸炎病例的規模和對食品安全的擔憂，沙門氏菌的基因組序列比其他任何屬都要多。
作者在他們的報告中繼續寫道:“近年來，NTS血清型傷寒和腸炎的新譜系已被認為是侵入性血流感染(iNTS疾病)的常見原因，每年導致全球約77000人死亡。由于iNTS疾病造成的大約80%的死亡發生在撒哈拉以南非洲，iNTS疾病在那里已經成為流行疾病。”由于基因降解，改變的原噬菌體庫和新的耐多藥質粒，可以通過基因組學鑒定負責血液感染的新沙門氏菌譜系。正如該小組報告的那樣，我們認為有必要簡化和擴大對來自非洲和世界其他地區的沙門氏菌的基于基因組的監測，包括與人類侵入性疾病和腸胃炎有關的分離株，并擴大到來自動物和環境的細菌。”
10KSG的目標是讓中低收入國家更容易獲得基因組數據。這一點尤其重要，因為在撒哈拉以南非洲，沙門氏菌導致的死亡率異常高。科學家需要了解大量此類細菌菌株的基因組成。正如這組科學家指出的那樣，“低收入和中等收入國家的科研人員面臨的最重大挑戰之一是通過科學合作簡化監測工作。由于種種原因，與嚴重細菌疾病負擔最大相關的區域無法充分利用WGS技術，不得不依賴昂貴和官僚的樣品運輸和測序程序。這妨礙了在中低收入國家為公共衛生和監測而采用大規模基因組測序和細菌病原體分析。
霍爾評論說:“到2021年，公開可獲得的已測序沙門氏菌基因組數量達到35萬個，可以從幾個在線存儲庫獲得。然而，在中低收入國家對沙門氏菌感染進行了有限的基于基因組的監測，現有的數據集不能準確地代表目前在世界各地造成疾病的沙門氏菌病原體。”該研究的合著者、利物浦大學微生物發病機理教授Jay Hinton博士進一步指出:“中低收入國家公共衛生研究人員面臨的最重大挑戰之一是獲得最先進的技術。由于后勤和經濟方面的綜合原因，與嚴重細菌疾病負擔最大相關的區域并未從廣泛提供WGS中受益。10,000個沙門氏菌基因組項目就是為了開始解決這種不平等。”
這一新報道的方法旨在簡化細菌的大規模采集和基因組測序，研究人員在不到一年的時間里收集了來自中低收入國家的超過10400個臨床和環境細菌分離株的遺傳材料。事實上，10KSG的成員提供了來自51個中低收入和中等收入國家和地區的10419個分離菌，涵蓋了7個細菌屬:不動桿菌屬、腸桿菌屬、克雷伯氏菌屬、假單胞菌屬、志賀氏菌屬和葡萄球菌屬，協調了樣本的收集和將在英國進行測序的材料的運輸。
由利物普大學團隊開發的樣本物流管道，通過將熱滅活的細菌分離物作為“熱裂解物”在世界各地的環境條件下運送到英國，隨后在美國厄勒姆研究所使用獨特的Lite協議進行低成本的測序。用于快速基因組測序的低輸入自動化方法。研究人員說：“我們方法的一個關鍵方面是讓精通多種語言的研究人員參與與合作者的通信，以最大限度地通過電子郵件進行清晰、持續的交流。”
總的來說，基因文庫的構建和DNA測序生物信息分析的完成，每個基因組的總試劑成本不到10美元(約7.50英鎊)。研究報告的合著者、利物浦大學博士后研究員布蘭卡·佩雷斯·塞普爾韋達博士(Blanca Perez Sepulveda)領導了全球樣本收集、優化和分析工作，她補充說:“采用大規模基因組測序和細菌病原體分析將為中低收入國家的公共衛生和監測提供巨大的資產。在這里，我們已經建立了一個高效且相對廉價的管道，用于在全球范圍內收集和測序細菌基因組。”
作者寫道:“我們已經建立了一個在全球范圍內收集和測序細菌基因組的高效且相對廉價的管道。我們的新方法允許大量細菌病原體的運輸和全基因組測序，通過結合使用熱裂解液和DNA提取和測序，使用創新的LITE管道進行文庫建設。通過全球研究合作，我們對這種方法與模式生物腸道沙門氏菌進行了評估，產生了6117個高質量的沙門氏菌基因組，這些基因組已經被用于許多已發表的研究。”
厄勒姆研究所博士后科學家Darren Heavens博士開發了全基因組測序管道，他進一步指出:“我們認為有必要簡化和擴大對來自非洲和世界其他地區的沙門氏菌的基因組監測，包括與人類侵入性疾病和腸胃炎相關的分離株，并延伸到來自動物和環境的細菌。我們的管道是一種具有成本效益和強大功能的工具，可從LMI國家獲得細菌基因組數據，從而可以調查分離株的流行病學、耐藥性和毒力因素。”
正如作者解釋的那樣，“我們的研究計劃是一種相對廉價和強大的工具，用于從LMI國家生成細菌基因組數據，允許對分離株的流行病學、耐藥性和毒力因素進行調查……未來，該方法將促進快速、低成本、以及細菌病原體的協同基因組測序。我們協調一致的做法表明了真正全球合作的價值，并可能有助于今后對國際流行病或大流行病的調查。”
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